火灾报警系统研究与实施.docx
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火灾报警系统研究与实施
石家庄铁道大学四方学院毕业设计
火灾报警系统研究与实施
ResearchandImplementationofFireAlarmSystem
摘 要
火灾自动报警系统属于楼宇自动化范畴，是当前楼宇自动化的一个主要构成系统。
其设置目的是为了防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。
火灾报警技术是预防火灾的一项基础工作，应用范围广泛，报警早，损失少，不仅对发生火灾的单位和个人具有重要作用，而且对公安消防监督机构及时扑灭火灾、减少人员伤亡和财产损失同样具有十分重要的现实意义。
本文研究的是基于红外线强度的一款红外火灾自动报警系统，它利用火焰传感器探测火灾发生时的红外信号，然后利用AD转换器将外界环境数据一起传送给控制系统，控制系统再根据获取的数据以及内部存储的报警数据，经系统内部数据比较来判断火灾是否存在，从而发出报警。
这种火灾报警器结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，这款火灾报警器具有一定使用价值。
关键词：
STC89C52 火焰传感器红外火灾报警器
Abstract
Automaticfirealarmsystemsbelongingtobuildingautomationcategoryisthemaincomposinginthecurrentbuildingautomation.Thepurposetodesigningistopreventandreducefiredamage,protectthepersonalandpropertysecurity.Firealarmusedwidely,alarmingearlyandlossless.Itnotonlyplaysanimportantroleinunitsandindividuals,andithasanimportantsignificanceinpublicsecurityfirecontrolinstitutionsexterminatefire,reducingcasualtiesandpropertylosses.
Thispaperstudiesainfraredautomaticfirealarmsystembasedoninfraredintensity,itusestheflamesensortoprobetheinfraredsignalwhenthefirebrokeout,ThenittransmitstheexternalenvironmentdatatocontrolsystembyADconverter,Controlsystemjudgewhethergavethealarmbythecomparingobtaindatawiththeinternalstoragebysystem.Thisfirealarmhastheadvantagesofsimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensive,intelligent,etc.thiskindoffirealarmhasalotofusevalue.
Keywords：
STC89C52 Flamesoffirealarmsensor Infraredintelligentfirealarmsystem
目 录
第1章 绪论1
1.1 研究背景1
1.2 论文研究目的及意义1
1.3 研究现状2
1.4 主要研究内容3
第2章 火灾报警器的设计方案4
2.1 火灾报警器的设计思想4
2.2 总体框图4
第3章 系统的硬件设计6
3.1 系统的硬件结构6
3.2 系统电路设计7
3.2.1 数据采集模块7
3.2.2 数码管显示电路8
3.2.3 报警电路8
3.2.4 独立键盘9
第4章 系统的软件设计10
4.1 编程keil环境介绍10
4.2 程序设计流程11
4.3 设计过程12
4.3.1 键盘设定阈值12
4.3.2 按键去抖13
4.3.3 A/D转换14
4.3.4 数码管显示16
4.3.5 判断及报警17
4.4 程序的烧录18
第5章 系统的性能与测试19
5.1 系统的性能19
5.2 系统的测试20
5.3 常见问题21
第6章 结论与展望23
参考文献24
致谢25
附录26
附录A 外文资料26
附录B 硬件原理图34
附录C 程序清单35
第1章 绪 论
1.1 研究背景
多少年来，火灾一直是人们所遭遇的最主要灾害之一，曾对人类的文明造成了重大破坏，许多著名的建筑大都毁于火灾。
例如：
我国的南宋在杭州建都后，先后发生火灾20次，其中5次使全城为之一空。
公元1201年3月（农历）的一场大火烧了数天，蔓延到城内外10余里，烧毁宫室、军营、仓库、民宅等58000余间，受灾达186300余人，成为我国灾害火灾之最。
世界上其它国家的火灾问题也同样十分严重，例如1666年9月2日，英国伦敦失火，大火整整烧了5天，市内83.26%的面积成为瓦砾，其中包括古老的圣保罗大教堂，财产损失达1200万英镑，20多万人无家可归，又如1871年10月8号美国芝加哥西区发生了火灾，大火27小时后才被雨水浇灭，致使250人死亡，10多万人无家可归，1.73万多间房屋被毁。
现在火灾仍然不断对人类社会造成巨大损失伤害，根据世界火灾统计中心的统计，近年来全球范围内，每年发生的火灾有600-700万起，死亡人数为65000-75000人。
大多数国家的火灾直接损失都占国民经济总值的0.2%以上。
实际上发生火灾后，除了直接经济人亡财产损失外还有相当大的间接损失，所以要发展加强火灾防范，加强火灾方便的研究。
火灾已成为我国常发性和破坏性以及影响力最强的灾害之一。
随着经济和城市建设的快速发展，城市高层、地下建筑以及大型综合性建筑日益增多，火灾隐患也大大增加，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。
在工业和民用建筑、宾馆、酒店、图书馆、科研和商业部门及大型工厂，火灾报警系统已成为笔要的装置。
火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用。
火灾报警控制器是火灾报警系统的核心。
1.2 论文研究目的及意义
随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。
家庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。
消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火灾的30%左右。
家庭起火的原因林林种种，可能在我们注意得到的地方，也可能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。
在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭眼间毁于一旦，有的导致家破人亡，而且一旦发生居民家庭火灾，处置不当、报警迟缓,是造成人员伤亡的重要因素。
所以说人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾的发生。
这就是我们研究声光报警器的目的。
在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。
假如能根据您家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。
声光报警器对防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。
一系列火灾造成的惨痛损失也使全国各界意识到了声光报警器的必要性。
据调查，在最近发生火灾的大多数房屋都没有安装报警器。
所以声光报警器在预防火灾发生上有着非常重大的意义。
1.3 研究现状
火灾作为一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，对人类生命财产和社会安全构成了极大的威胁。
由此引发的重大安全事故比比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究。
火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程，它除了自身的物理化学变化以外还会受到许多外界的干扰，火灾一旦产生便以接触式（物质流）和非接触式（能量流）的形式向外释放能量。
接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等。
非接触式如声音、辐射等。
火灾探测技术就是利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另外一种易于处理的物理量。
火灾探测器包括接触式探测器和非接触式探测器，非接触式探测器包括声音传感器和火焰探测器、图像探测器；接触式探测器探测温度的感温传感器，探测微粒和烟雾形状等固体产物的的离子式、光电式、图像传感器；探测气体产物的气体传感器[1]。
探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。
相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术弱信号处理技术、低功耗MCU技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。
火灾着极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐。
近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。
各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。
单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。
由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到任何电子系统中去，同样，它也可以广泛应用于报警技术领域，使各类报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会发展的需要。
1.4 主要研究内容
本文研究的是基于红外线强度的火灾自动报警系统，其核心是利用51单片机作为控制中心，火焰传感器作为信号采集工具，键盘作为系统配置红外信息中介，数码管作为信息显示器，蜂鸣器和LED灯作为声光报警装置。
本文主要负责软件部分的设计，主要完成了整个系统的软件设计及实现。
整个系统共分为四个模块，有A/D转换模块，键盘输入模块，数码管显示，声光报警模块。
论文主要工作有：
1、完成了软件系统总框图设计；
2、完成了A/D转换模块，键盘输入模块，数码管显示，声光报警模块的软件设计及实现。
第2章 火灾报警器的设计方案
2.1 火灾报警器的设计思想
此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。
运用编程技术，传感器技术，单片机技术设计基于单片机的火灾报警系统。
80C51单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。
当周围的环境达到我们设定的数值时，声光传感器把被测的物理量作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。
物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。
通常传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。
当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。
而我们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合A/D转换器的输入等级，这样就可以简化整个系统的设置。
传感器将物理信号经过A/D转换器转化为可以利用识别的电信号给单片机，这里我们选择单片机的P1.1、P1.2为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定会由P1.3作为单片机的输出直接启动报警电路。
此时，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时二极管发光，这就达到了声光报警的效果。
2.2 总体框图
根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了声光报警系统的总体框图如图2-1所示：
图2-1 声光报警系统的总体框图
使用80C51单片机，选用声光传感器作为敏感元件，利用PCF8591转换器和声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位火灾报警的声光报警器。
整个设计由4大部分构成：
火焰传感器、A/D转换电路、80C51单片机、独立键盘，声光报警电路。
其中，声光传感器是将现场温度、声光等非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将声光传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。
声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。
第3章 系统的硬件设计
3.1 系统的硬件结构
为适应家庭和一些公共场所对人身以及财产安全的防护要求，设计的红外火灾报警器应不仅能在较宽的光亮环境下起作用，而且应具有显示红外线强度功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能[2]。
我们的主要思想是在传统的火灾报警器的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。
本系统主要采用的电子器件有火焰传感器和51开发板中的STC89C52单片机、PCF8591芯片、8位数码管、蜂鸣器、独立键盘、LED灯等元件。
图3-1是我们所设计的火灾报警器的系统结构图，以单片机STC89C52为核心，结合外围电子设备，共同完成信息采集、数模转换、信息显示、声音及闪烁报警、按键输入等功能。
系统采用单片机STC89C52，要求工作稳定、测量精度高、保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。
图3-1 系统结构
在上图中火焰传感器将检测到的外界环境信息，以电压信号的形式传送给AD转换芯片，信号经过数模转换后，以数字信号的形式传送给系统的控制中心STC89C52单片机，经过处理后将信息显示在数码管上。
键盘输入的作用是给系统设定一个安全阈值，当设定的某个键按下时，其对应的阈值显示在左侧的数码管上。
（数码管的显示部分主要有两个功能：
一个是显示外界红外线的强弱数据，这个是由A/D数模转换模块提供给单片机STC89C52，在由单片机STC89C52通过送给74HC573芯片和74HC138芯片，以控制右侧数码管的显示，而左侧数码管的数据，是通过键盘设置，将应该显示数据送给单片机STC89C52，在由单片机STC89C52通过送给74HC573芯片和74HC138芯片，以控制右侧数码管的显示。
）然后系统内部根据设定的程序对外界环境信号与工作人员设定的安全与制作比较，如果外界信号小于设定的阈值则接通报警电路，此时蜂鸣器呈现高低两个音节同时LED灯闪烁，从而达到报警的目的。
如果外界信号大于或等于设定的阈值则不报警。
另外为适应现代科技的高速发展，系统预留了几个接口，以为今后系统功能的扩展所用，这体现了我们所设计的系统具有面向未来，与时俱进的优点。
3.2 系统电路设计
在系统电路图设计过程中，我们主要分为数据采集模块，数码管显示模块，声光报警模块，键盘输入模块等几个模块进行电路设计。
3.2.1 数据采集模块
在此模块中用到的电子元件有具有数据采集功能的火焰传感器、进行数模和模数转换的PCF8591芯片、系统的控制中心STC89C52单片机。
在设计过程中首先将火焰传感器的三个接口通过导线分别连在开发板的VCC、接地和PCF8591芯片中的CH0、CH1、CH2、CH3的任意一个通道，在我们的设计中使用的是CH3通道，当外界信号模数转换后，利用SCL和SDA两条信号线将转化好的数据量传输给单片机，并用8位LED数码管中的后两位进行显示。
模块电路如图3-2
图3-2 数据采集电路
3.2.2 数码管显示电路
单片机的P0.0~P0.7等8个接口分别接在芯片74HC573的1D~8D等8个接口上，芯片74HC573的1Q~7Q等7个口分别接在数码管的PA0~PA7等8个口上，从而实现数码管的段码显示；单片机的P2.0、P2.1、P2.2等三个接口接在74HC138的A、B、C三个口上，芯片74HC138的Y0~Y7分别接在8个数码管上，从而实现数码管的位选功能。
图3-3数码管显示电路
3.2.3 报警电路
蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，是电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机的IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路[3]。
本设计通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器，其电路图如3-4
图3-4 报警电路
如图所示，三极管的发射极接到VCC（+5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的集电极，三极管的基极B经过限流电阻R1后接到JMP3上，蜂鸣器的正极通过芯片UM2003连在了单片机的P1.3口。
当P1.3输出低电平时，三极管T1截止，没有电流过线圈，蜂鸣器不发声；当P1.3输出高电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。
因此，我们可以通过程序控制P1.3脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭声音。
3.2.4 独立键盘
独立键盘按键的每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上，键盘的S1、S2、S3、S4分别接在单片机的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3上，这样可以直接按键则通过判断按键端口的电位即可识别按键操作。
第4章 系统的软件设计
4.1 编程keil环境介绍
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种Keil软件图标是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。
机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。
运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
下面详细介绍KeilC51开发系统各部分功能和使用。
C51工具包的整体结构，如图
（1）所示，其中uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。
目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。
仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。
仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用[4]。
4.2 程序设计流程
在整个程序流程中，经常要控制一部分指令重复执行若干次，以便简短的程序完成大量的处理任务。
这种按某种控制规律重复执行的程序称为循环程序。
循环程序有先执行后判断何先判断后执行两种基本结构。
而我们要选用的是先判断后执行。
因为火焰传感器的输出电压量为3～4v之间，而开发板的电压为5v，那就必须利用A/D转换才能将模拟信号记录在单片机上。
利用函数ReadADC（）读出A/D模块输出值后，然后利用函数Display[]=Datatab[（（ReadADC（））/30）]显示在指定的数码管上。
然后我们定义了四个键S1、S2、S3、S4的值分别为2、4、6、8并显示在指定的数码管上，然后有工作人员通过键盘给系统键入报警值。
将数值存入单元以后，接下来就是比较。
当被测的数值经计算机的转换后的值小于按下键的值，经程序设定STC89C52单片机的P1.3就会输出脉冲启动报警电路程序。
程序流程图如图4-1所示
图4-1 程序主流程图
4.3 设计过程
4.3.1 键盘设定阈值
此系统由于具有工作人员调配系统的报警阈值的功能，所以必须给系统加入键盘输入的功能，在系统中我们加入了独立键盘中的S1、S2、S3、S4四个键，键盘的设定值分别为2、4、6、8，一次完整的击键过程，包含以下5个阶段：
1、等待阶段：
此时按键尚未按下，处于空闲阶段。
2、前沿（闭合）抖动阶段：
此时按键刚刚按下，但按键信号还处于抖动状态，这个时间一般为5~20ms。
为了确保按键操作不会误动作，此时必须有个前沿消抖动延时。
3、键稳定阶段：
此时抖动已经结束，一个有效的按键动作已经产生。
系统应该在此时执行按键功能；或将按键所对应的键值记录下来，待按键释放时再执行。
4、后沿（释放）抖动阶段：
一般来说，考究一点的程序应该在这里再做一次消抖延时，以防误动作。
但是，如果前面“前沿抖动阶段”的消抖延时时间取值合适的话，可以忽略此阶段。
5、按键释放阶段：
此时后沿抖动已经结束，按键已经处于完全释放状态，如果按键是采用释放后再执行功能，则可以在这个阶段进行按键操作的相关处理。
其设计流程图如图4-2
图4-2 键盘处理流程图
4.3.2 按键去抖
在键盘设计过程中计数器输入脉冲最好不要直接接普通的按键开关，因为记数器的记数速度非常快,按键、触点等接触时会有多次接通和断开的现象。
我们感觉不到，可是记数器却都记录了下来。
例如，虽然只按了1下，记数器可能记了3下。
因此，使用按键的记数电路都会增加单稳态电路避免记数错误。
按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。
键抖动会引起一次按键被误读多次。
为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理,必须去除键抖动。
在键闭合稳定时读取键的状态，并且必须判别到键释放稳定后再作处理。
通常的按键所用开关为机械弹性开关,当机械触点断开、闭合时,电压信号小型如下图。
由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。
因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动,如下图。
抖动时间的长短由按键的机械特性决定,一般为5ms～10ms。
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